DE19753795A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Gasen in einem Gasgemisch - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Gasen in einem Gasgemisch

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Description

Bekannt ist die Wirkung eines Magnetfeldes auf einen magnetischen Dipol: Er wird zu den Bereichen dichterer Feldlinien hingezogen. Die Kraft auf den magnetischen Dipol bestimmt sich zu:
K = ρ.µ0.dH/dr (1)
mit
ρ = magnetischer Moment des Dipols
µ0 = magnetische Feldkonstante
H = magnetische Feldstärke
r = Ausdehnung des Magnetfeldes.
Dabei ergibt sich der Wert des magnetischen Momentes zu:
ρ =
mit
k = Boltzmann-Konstante
T = absolute Temperatur
K = magnetische Suszeptibilität (Stoffeigenschaft)
n = Teilchenzahldichte
Ferner ist es bekannt, die magnetischen Eigenschaften zur Konzentrationsmessung zu verwenden.
Beispielsweise werden die paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs für seine Konzentrationsmessung in Gasen, z. B. in Luft, genutzt. Die durch die Ausrichtung und Beschleunigung in einem inhomogenen Magnetfeld bewirkten Strömungen werden Hitzdrahtwiderständen oder mit an Federn aufgehängten Hanteln gemessen und sind ein proportionales Maß für den Sauerstoffgehalt des Meßgases. Diese Meßgeräte arbeiten mit Permanent-Magneten (Messen und regeln in der Wärme- und Chemietechnik, Seite 73, Siemens, 5. Auflage, 1962.)
Bild 1 zeigt eine Magnetspule, die durch die kegelstumpfartige Anordnung der Wicklungen ein sich nach rechts zum Nordpol verstärkendes Magnetfeld (flächenbezogen) aufweist.
In den Meßgeräten wird der Sauerstoff in Richtung der größeren Feldliniendichte gezogen. Stickstoff wird durch die permanent stattfindenden Stöße mitgerissen und es kommt zu einer Strömung. Diese wird in der Meßtechnikliteratur als "Magnetischer Wind" bezeichnet (Handbuch der Betriebstechnik, Kap. 3.10.2.2).
Da sich die für diesen Effekt bestimmende Größe, die spezifische magnetische Suszeptibilität des Sauerstoffs, um 2 Potenzen von der des Stickstoffs unterscheidet, ermöglichen diese Eigenschaften eine Trennung der beiden Gase.
Berechnet man die Werte für p und K für Sauerstoff (O₂) gemäß Formel (1) und (2) und nimmt ein Magnetfeld von 106 A/m an mit einer Ausdehnung 1 cm, so sieht man, daß ein ansonsten frei bewegliches Sauerstoffmolekül im inhomogenen Magnetfeld im Gegensatz zu den Stickstoffmolekülen eine Beschleunigung erfährt, die nahezu dem 104-fachen der Erdbeschleunigung entspricht.
Ohne Berücksichtigung der intermolekularen Stöße könnte man für ansonsten frei bewegliche Moleküle bereits eine deutliche Auftrennung zwischen O2 und N2 erreichen, indem man einen Luftstrom durch ein inhomogenes Magnetfeld führt. Der O2-Anteil würde bei zuvor genannter Magnetfelddimensionierung bereits soweit in das Magnetfeld hinein abgelenkt werden, daß er einfach aus dem Luftstrom ausgekoppelt und abgeleitet werden kann.
Diesem Effekt und dem daraus resultierenden Trennergebnis wirken die intermolekularen Stöße zwischen O2 und N2 entgegen, die dazu führen, daß die bevorzugte Bewegungseinrichtung der O2-Moleküle relativ schnell auf den N2-Anteil übertragen und damit neutralisiert wird. Denn die mittlere freie Weglänge für N2 bei Normaldruck beträgt 0,06 µm. Es resultiert ein gerichteter Gasstrom (magnetischer Wind), nicht aber ein makroskopischer Trenneffekt zwischen N2 und O2.
Um die durch die magnetische Wechselwirkung hervorgerufene bevorzugte Bewegungsrichtung der O2-Moleküle für eine Trennung nutzen zu können, bedarf es zusätzlicher Verfahrensschritte: Die Trennung zwischen O2 und N2 muß innerhalb der Dimension der mittleren freien Weglänge fixiert werden, bevor die bevorzugte Bewegungsrichtung der O2-Moleküle durch Stöße mit den N2-Molekülen verschmiert wird. Diese Wirkung erzielen die als Störflächen bezeichneten Einbauten in den das Magnetfeld durchströmende Gasvolumen. Diese Störflächen können auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen (selektive Membranen, Schüttungen, Kondensationsflächen, etc. Die Störflächen bewirken, daß die bevorzugte magnetische Kraftwirkung auf die O2-Moleküle auch in einer makroskopisch bevorzugten Bewegung des O2-Anteils in Richtung dichterer Feldlinien resultiert.
Im Bild 2 ist ein konischer Magnet dargestellt, der mit einer Füllung versehen ist, die sich als eine Art von Störflächen der Strömung in den Weg stellt. An diesen Flächen kommt es zu einer Wechselwirkung, in deren Folge der Sauerstoff einen größeren mittleren Kraftvektor in Richtung Nordpol und dichterer Feldlinien hat als der Stickstoff.
Da der angereicherte Sauerstoffstrom außerdem einen höheren (auf das Volumen bezogenen) Paramagnetismus hat als das Eintrittsgas, verstärkt sich der Trenneffekt im Bereich der dichter werdenden Feldlinien. Mit einer derartigen Anordnung können sehr hohe Reinheiten erreicht werden.
Dem angereicherten Stickstoffstrom wird quer oder entgegengesetzt zur Sauerstoffbewegung eine Möglichkeit gegeben, das System zu verlassen. Vorteilhaft wird eine poröse Wand unter den Spulenentwicklungen angeordnet.
Da zur Gastrennung nur die Strömungswiderstände an den Störflächen überwunden werden müssen, ist der energetische Aufwand relativ gering.
Für technische Anwendungen wird der angereicherte oder hochreine Sauerstoff auf das erforderliche Druckniveau angehoben.

Claims (13)

1. Verfahren zur Trennung von einem Gas in einem Gasgemisch, bei dem ein Gas aus einem Gasgemisch getrennt wird unter Ausnutzung von unterschiedlichen magnetischen Suszeptibilitäten des Gases und des Restgasgemisches mit Hilfe eines inhomogenen Magnetfeldes mit einer oder mehreren Störfläche(n).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Gasgemisch durch ein inhomogenen Magnetfeld mit einer oder mehreren Störfläche(n) geführt wird, wodurch das Gas eine andere Bewegungsrichtung aufweist als das Restgasgemisch und so vom Restgasgemisch getrennt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Gas paramagnetisch ist und das Restgasgemisch diamagnetisch ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem Gasgemisch Luft ist und das paramagnetische Gas Sauerstoff ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Störfläche(n) eine Grenzfläche der Gase, eine Membran und/oder eine Schüttung ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Störfläche(n) durch ein oder mehrere Überlagerungen mit einem technischen Trennverfahren erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das/die technische(n) Trennverfahren eine Rektifikation, eine Druckwechseladsorption (PSA), eine Vakuumdruckwechseladsorption (VPSA), ein Membranverfahren und/oder ein Diffusionsverfahren ist.
8. Vorrichtung zur Trennung von einem Gas in einem Gasgemisch, bei der ein Gas einer Trennvorrichtung zugeführt wird, der Mittel zugeordnet sind, wodurch ein inhomogenes Magnetfeldes mit einer oder mehreren Störflächen erzeugt wird und wodurch das Gas aus einem Gasgemisch aufgrund eines Unterschieds in den magnetischen Suszeptibilitäten des Gases und des Gasgemisches getrennt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das Magnetfeld durch ein oder mehrere Permantmagneten oder Elektromagneten erzeugt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der das Magnetfeld durch einen supraleitenden Magneten erzeugt wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der mindestens zwei Magneten in einem Winkel zueinander so angeordnet sind, um einen trichterförmigen Verlauf der magnetischen Feldlinien zu bilden.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die trichterförmig verlaufenden Feldlinien einen eingeschlossenen Winkel von 10° bis 80° bilden.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei das Gas oder Gasgemisch dem(n) Magnet(en) zugeführt und/oder durch dem(n) Magnet(en) hindurchgeführt wird in einer Leitung mit einer für das Gas oder Gasgemisch durchlässigen Wandung.
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